POLITECNICO DI TORINO Repository ISTITUZIONALE

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13 November 2021

POLITECNICO DI TORINO Repository ISTITUZIONALE

Diseño ingeniero y montaje de unidades experimentales para la biorremediación de residuos petrolizados a escala de banco / Gutiérrez Benítez, Omar; Castro Rodríguez, David Javier; Viera Ribot, Orlando Manuel; Casals Pérez, Enmanuel; Rabassa Rabassa, Dayana. - In: TECNOLOGÍA QUÍMICA. - ISSN 2224-6185. - ELETTRONICO. - 40:3(2020), pp. 544-562.

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Diseño ingeniero y montaje de unidades experimentales para la biorremediación de residuos petrolizados a escala de banco

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Universidad de Oriente, Cuba.

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Diseño ingeniero y montaje de unidades experimentales para la biorremediación de residuos petrolizados a escala de banco

Engineering design and assembly of experimental units for the bioremediation of petroleum waste on a bench-scale

MSc Omar Gutiérrez-Benítez1*, https://orcid.org/0000-0002-3644-6245 MSc David Javier Castro-Rodríguez, https://orcid.o rg/0000-0002-7609-3229 MSc.Orlando Manuel Viera-Ribot, https://orcid.org/0000-0003-4867-3020 Ing. Enmanuel Casals-Pérez, https://orcid.org/0000-0003-2385-8846 MSc Dayana Rabassa-Rabassa, https://orcid.org/0000-0003-3392-6486

Departamento de Gestión e Ingeniería Ambiental. Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos, Cuba

*Autor para la correspondencia. correo electrónico: omar@gestion.ceac.cu

RESUMEN

La contaminación con hidrocarburos es una problemática nacional. Es una prioridad la investigación y desarrollo de tecnologías de biorremediación de residuos petrolizados. El Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos, de conjunto con el Instituto de Ciencias del Mar y el Instituto de Investigaciones Suelos, ejecutan el proyecto nacional “Evaluación de la eco tecnología de biopilas para la biorremediación de residuos petrolizados utilizando texturizantes locales”. La determinación de la forma y tamaño de las unidades experimentales constituyó una demanda científica de la investigación a escala de banco. El objetivo fue diseñar y montar las unidades experimentales de biopilas a escala de banco para evaluar la eficacia de la biorremediación de residuos petrolizados. Se realizó el estudio del estado del arte. Se consideraron criterios de diseño de la ecotecnología, los requerimientos del diseño de experimentos, y las características del polígono experimental. Se adoptó la forma de pirámide truncada. Se programó un libro de

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545 cálculos Excel para realizar el balance de masa a nivel de unidad experimental y determinar sus dimensiones. El montaje de las unidades experimentales corroboró la validez del diseño ingeniero. Se aportó una solución ingeniera a una demanda científica de la investigación, que se aplicó a escala de banco y se generalizará en el escalado de la ecotecnología.

Palabras clave: residuo petrolizado; biorremediación, biopila; unidad experimental;

diseño.

ABSTRACT

Oil pollution is a national problem. Research and development of bioremediation technologies for petroleum waste is a priority.The Center for Environmental Studies of Cienfuegos, together with the Institute of Marine Sciences and the Institute of Soil Research, are executing the national project "Evaluation of biopile ecotechnology for bioremediation of petroleum waste using texturizers". The determination of the shape and size of the experimental units constituted a scientific demand for bench- scale research.The aim was to design and to assemble the experimental biopile unitson a bench-scale to evaluate the effectiveness of bioremediation of petroleum waste. Was carried outthe study of the state of the art. Were considered the design criteria of the ecotechnology, the requirements of the design of experiments, and the characteristics of the experimental site.Was adopted the shape of a truncated pyramid. Was programmed an Excel workbook to perform the mass balance at the experimental unit level and determine its dimensions. The assembly of the experimental units confirmed the validity of the engineering design. An ingenious solution was provided to a scientific demand for research,which was applied on a bench-scale and will become generalized in the scale-up of ecotechnology.

Keywords: petroleum waste; bioremediation; biopile; experimental unit; design.

Recibido: 19/11/2019 Aceptado: 20/03/2020

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Introducción

Entre los desafíos que enfrenta el mundo para preservar y rehabilitar el medio ambiente es una prioridad el tema de la contaminación ambiental. La Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible reconoce metas para su reducción. (1) En Cuba también es un objetivo estratégico. (2)

La presencia de hidrocarburos en el suelo modifica sus características y consecuentemente pueden afectar al medio ambiente y la salud humana. (3)En Cuba se reconoce los derrames de hidrocarburos como uno de los principales peligros de origen tecnológico, y se establece implementar acciones para la prevención de desastres, incluidas acciones de respuesta y recuperación. (4)

No obstante, el manejo de residuos petrolizados y suelos contaminados con hidrocarburos debido a derrames de hidrocarburos, desechos oleosos de fondajes de tanques de petróleos y sus derivados, de residuos y lodos, de trampas de hidrocarburos y sistemas de tratamiento de aguas residuales, y de residuos pasivos contaminados es una problemática de alcance nacional, que pueden provocar una amplia variedad de impactos. (5)

La biorremediación es un método de tratamiento apropiado para la degradación de hidrocarburos. (6-10) La ecotecnología de biopilas es una tecnología ex situ, que es pertinente para la biorremediación de residuos petrolizados y suelos contaminados con hidrocarburos. (11-13)

Las biopilas son una forma de composteo en el cual se forman pilas de suelo, residuos petrolizados y materiales texturizantes, acondicionantes y/o mejoradores, ocurriendo un proceso biológico controlado donde los contaminantes orgánicos son biodegradados y mineralizados. Se logra estimular la actividad microbiana mediante la adición de nutrientes, la aireación y la humedad. Estos materiales son residuos orgánicos, de origen agrícola o industrial, que aportan nutrientes, flora microbiana, mejoran la porosidad y la aireación, y mantienen los niveles de humedad requeridos; que contribuyen a la degradación de hidrocarburos. (14-16)

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547 Es una prioridad la investigación y desarrollo de tecnologías de biorremediación de residuos petrolizados. El Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos, de conjunto con el Instituto de Ciencias del Mar y el Instituto de Investigaciones Suelos, ejecutan el proyecto nacional "Evaluación de la ecotecnología de biopilas para la biorremediación de residuos petrolizados utilizando texturizantes locales", en lo adelante proyecto Biopilas, perteneciente al Programa de Ciencia, Tecnología e Innovación de Interés Nacional "Uso sostenible de los componentes de la Diversidad Biológica en Cuba".

La determinación de la forma y tamaño de las unidades experimentales constituyó una demanda científica de la investigación a escala de banco. El objetivo fue diseñar y montar las unidades experimentales de biopilas a escala de banco, para evaluar la eficacia de la biorremediación de residuos petrolizados.

Materiales y métodos

En la figura 1 se muestra el procedimiento metodológico utilizado en el protocolo experimental del proyecto Biopilas. La investigación se realizó a escala de banco.

El fin de este procedimiento fue evaluar la biodegradación de residuos petrolizados utilizando diferentes texturizantes en la ecotecnología de biopilas a escala de banco y elegir el texturizante idóneo para ser utilizados en la optimización y escalado de la ecotecnología.

El procedimiento fue integrado por varios pasos, donde se aplicaron las herramientas ingenieriles bajo el principio de la convergencia metodológica. A continuación se detallan los dos primeros pasos, lo cual es necesario para la comprensión del diseño ingeniero y montaje de unidades experimentales.

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548 Fig. 1- Procedimiento metodológico utilizado en el proyecto Biopilas

Elección, acopio y caracterización de los materiales

Se utilizó un suelo característico de la región central de Cuba, de bajo potencial agrícola. Se realizó caracterización física y química para determinar la densidad aparente, composición de carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), humedad y pH.

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549 Se utilizó un residuo petrolizado sólido proveniente la limpieza del fondo de un sedimentador de la planta de tratamiento de residuales de una Refinería de Petróleo. Se realizó la caracterización física y química para determinar la densidad aparente, Grasas y Aceites (GyA), Hidrocarburos Totales del Petróleo (HTP) y humedad.

Fueron utilizados seis tipos de texturizantes: bagazo, cachaza, serrín, pulpa de café, estiércol vacuno, y residuos de Thalassia testudinum. Se realizó caracterización física y química para determinar la densidad aparente, composición de carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K) y humedad.

Diseño de experimentos

El sistema experimental utilizado, atendiendo a criterios de interés en el orden investigativo, económico y logístico, resultó un modelo multifactorial categórico, con dos factores experimentales (tratamientos y tiempo), y dos variables de respuesta (GyA e HTP). Cada tratamiento se replicó en tres ocasiones más. (17-18)

El factor categórico “tratamientos” estuvo constituido por siete tratamientos. Seis de ellos, formados por una mezcla de suelo, hidrocarburo y un tipo de texturizante. El otro tratamiento utilizado fue el nombrado “control”, que estuvo constituido solo por la mezcla de suelo e hidrocarburo.

El factor aleatorio fue la variable “tiempo”, con cinco niveles correspondientes a los momentos de muestreo 0, 60, 90, 150 y 240 días, seleccionados atendiendo a criterios cinéticos de crecimiento de microorganismos y de degradación de hidrocarburos. El arreglo experimental consistió en 28 unidades experimentales.

Diseño ingeniero de las unidades experimentales

Se consideraron principios y criterios de diseño establecidos en el estado del arte,

(19-25) tales como:

- Escala de la investigación y principios de escalado.

- Aplicabilidad de los principios básicos de diseño del compostaje tradicional.

- Tipo de texturizantes, acondicionantes y/o mejoradores.

(8)

550 - Características de los sistemas de compostaje aeróbicos.

- Morfología de biopilas con una geometría de pirámide truncada.

- El ángulo de reposo o inclinación de la masa de la biopila.

- Alturas de las unidades experimentales utilizadas a escala de banco.

- Sistema cerrado o abierto.

Para el diseño de las unidades experimentales en esta investigación se tuvieron en cuentas los siguientes aspectos:

- Requerimientos del arreglo experimental, según resultados del diseño de experimentos.

- Sistema cerrado para el polígono experimental, para lo cual se adaptó una nave con piso de hormigón, cubierta de fibrocemento y ventanal para ventilación. La puerta está enrejada para limitar los accesos y a la vez favorecer la ventilación.

Las dimensiones del polígono experimental fueron 14,35 m x 5,70 m.

- Las dimensiones de las bandejas de polietileno para el montaje de una unidad experimental fueron de 1,10 m x 0,95 m.

- Caracterización física y química de los materiales componentes de la biopila.

- Masa total de muestra destructiva requerida para los ensayos físico-químicos y microbiológicos durante la ejecución del experimento.

- Masa total de muestras requeridas para los ensayos ecotoxicológicos en el tiempo 0 de la ejecución del experimento.

- Relación masa total inicial / masa total final de la unidad experimental.

- La geometría de la unidad experimental se asumió como una pirámide truncada, con ángulo de 45° y altura de 20,00 cm.

Se implementó el protocolo de diseño ingeniero programado en un libro de cálculo de Microsoft Office Excel. Incluyó el balance de masa a nivel de cada unidad experimental para determinar la masa de cada componente de la biopila y posteriormente determinar las dimensiones de las mismas. Incluyó:

- Determinación de la masa total inicial seca de la unidad experimental.

- Determinación de la masa total de residuo petrolizado en la unidad experimental seca, a partir de las concentraciones de las fracciones de hidrocarburos (G y A,

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551 HTP) obtenidas en la caracterización del residual y de los requerimientos de experimentación prefijados para las condiciones iniciales.

- Definición del porciento masa de los agentes de volumen o texturizantes en la unidad experimental seca.

- Determinación de la masa total de suelo en la unidad experimental seca.

- Determinación del volumen inicial de los componentes y de la unidad experimental seca.

- Determinación de las dimensiones del largo y ancho de la base, que satisfagan los requerimientos establecidos para el diseño. Se programó un procedimiento de cálculo iterativo mediante la ecuación del volumen del cuerpo geométrico (26) para verificar que la altura calculada fuera igual a la altura de diseño.

donde:

V es el volumen de una pirámide truncada (cm3).

AB es el área de la base mayor (cm2).

Ab es el área de la base menor (cm2).

h es la altura (cm).

- Determinación de la masa total de las enmiendas de nutrientes necesarios en solución acuosa según las proporciones requeridas de C:N:P:K (100:10:1:0,1) y porcentaje de humedad, según la literatura. (13, 24)

Se utilizó un procedimiento aleatorio simple para intercalar cada una de las unidades experimentales correspondientes a los tratamientos y sus réplicas. Posteriormente, se asignaron números consecutivos para la distribución en planta de las unidades experimentales aplicando un patrón de S.

Montaje de las unidades experimentales

El residuo petrolizado acopiado se depositó en bandejas y se procedió al desmenuce manual de los grumos. Posteriormente el residuo petrolizado se introdujo en dos partes en un tanque tapado de manera segura, el que se colocó forma horizontal y se hizo rodar como tambor, para homogenizar contenido en el

𝑉 =1

3 ℎ (𝐴𝐵+ 𝐴𝐵𝐴𝑏+ 𝐴𝑏) (1)

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552 interior del tanque. Por su parte, el suelo previamente tamizado, se descompactó y homogenizó con medios manuales como guatacas y palas.

Luego se procedió al pesaje de la masa de los componentes de la mezcla para la estabilización (suelo-residuo petrolizado) en correspondencia con lo diseñado para cada unidad experimental. Luego fueron acarreados hasta el polígono experimental y mezclados con métodos manuales mediante un vagón de construcción y guatacas. Se procedió a mezclar hasta lograr que la textura de la mezcla fuera homogénea haciéndose una valoración visual del color (parejo en toda la masa) y ausencia de grumos en la mezcla. Una vez homogenizada la mezcla se introdujo dentro de bolsas de polietileno de 25,00 x 30,00 cm, se cerraron las mismas y se depositaron en bandejas de polietileno. Se mantuvo tapado 12 días para la estabilización del sistema. (27-28)

Transcurrido el período de estabilización se procedió a destapar las bolsas y añadir al sistema residuo petrolizado-suelo la cantidad de texturizante requerida según el diseño. La homogenización de esta mezcla se logró en condiciones análogas a la anterior. Una vez lograda la nueva mezcla se volteó el vagón en las bandejas de polietileno, que previamente se había cubierto con bolsas de polietileno. La mezcla final de todos los componentes fue homogenizada. Después se le tomó a cada unidad experimental una muestra para la determinación del % de humedad en la unidad experimental seca.

A partir de este resultado, por balance de masa, se determinó la masa y volumen de agua a añadir para lograr el % humedad final requerida (20 %). Luego se añadieron las enmiendas de nutrientes en solución acuosa en correspondencia con las proporciones requeridas. El mezclado continuó de forma manual utilizando espátulas como herramientas para romper los grumos y homogenizar.

Para concluir, se realizó el conformado de las unidades experimentales en correspondencia con las propuestas de diseño para cada tratamiento. Además, se construyeron y utilizaron plantillas para la estandarización de las relaciones entre las dimensiones de la base, altura y ángulo de reposo entre las réplicas de cada tratamiento.

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Resultados y discusión

Diseño ingeniero de las unidades experimentales

La composición química del residual petrolizado de partida contenía 186 000 mg/kg y 780 00 mg/kg de G y A e HTP respectivamente. La composición química de diseño de las unidades experimentales fue de 228 09 mg/kg y 9565 mg/kg de G y A e HTP respectivamente. El % masa de texturizante en la biopila fue del 8 %. La composición en masa de los componentes de cada uno de los tratamientos investigados y por consiguiente de todas las unidades experimentales fue similar.

Los resultados del balance de masa arrojaron la siguiente composición en masa para cada unidad experimental:

− Masa total: 38,00 kg

− Masa de residuo petrolizado: 4,66 kg

− Masa de texturizante. 3,04 kg

− Masa de suelo: 30,30 kg

Los resultados del diseño ingeniero, obtenido a partir del balance de masa a nivel de cada unidad experimental, se muestran en la tabla 1.

Tabla 1- Dimensiones de las unidades experimentales para cada tratamiento

En la figura 2 se muestra la distribución en planta aleatorizada de las unidades experimentales, según los resultados del diseño ingeniero.

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554 Fig. 2- Vista en planta de las unidades experimentales en el polígono experimental

Montaje de las unidades experimentales

En la figura 3 se muestran imágenes de las etapas de montaje de las unidades experimentales: homogenización del residual petrolizado (a), mezcla (b), estabilización (c), conformado (d), estandarización (e) y distribución en planta (f).

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555 Fig. 3- Imágenes de las etapas de montaje de las unidades experimentales

Conclusiones

1. Las demandas científicas de la investigación del proyecto Biopilas fueron satisfechas con los protocolos para el diseño ingeniero y el montaje de las unidades experimentales. Se implementaron varias herramientas ingenieriles bajo el principio de la convergencia metodológica.

2. El montaje de las unidades experimentales a escala de banco corroboró la validez del diseño ingeniero.

3. Los protocolos para el diseño ingeniero y el montaje de las unidades experimentales se generalizaron en la optimización y escalado de la ecotecnología.

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Conflicto de interés No existen conflictos de intereses

Contribución de autores MSc. Omar Gutiérrez Benítez

Elaboración de los protocolos para el diseño ingeniero y el montaje de las unidades experimentales. Ejecución y validación del balance de masa a nivel de unidades experimentales y de los cálculos ingenieros. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental y la campaña de montaje de las unidades experimentales.

Escritura y corrección del manuscrito del artículo.

MSc. David Javier Castro Rodríguez

Elaboración del protocolo para el diseño de experimentos. Planeación y realización del diseño de experimentos. Elaboración de la distribución en planta. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental y en la campaña de montaje de las unidades experimentales. Oponencia del manuscrito del artículo.

MSc. Orlando Manuel Viera Ribot

Elaboración de otros protocolos utilizados. Caracterización fisca y química de los componentes de las unidades experimentales. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental y en la campaña de montaje de las unidades experimentales. Revisión del manuscrito del artículo.

Ing. Enmanuel Casals Pérez

Participación en la elaboración de otros protocolos utilizados. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental y en la campaña de montaje de las unidades experimentales. Revisión del manuscrito del artículo.

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562 MSc. Dayana Rabassa Rabassa

Participación en la elaboración de otros protocolos utilizados. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental y en la campaña de montaje de las unidades experimentales. Revisión del manuscrito del artículo.

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